自锁模光子晶体面发射激光器及其制备方法

本发明属于半导体激光器，尤其涉及一种自锁模光子晶体面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、垂直外腔面发射激光器（即vecsel）具有传统半导体激光器高光电转换效率与固体激光器高输出功率、高光束质量的独特优势，通过引入外部谐振腔，vecsel不仅可以有效控制横模，实现接近衍射极限的基横模输出，还便于在腔内插入各种光学元件，以实现波长调谐、高效倍频以及超短脉冲输出。

2、在驱动方式上，光泵浦外腔面发射激光器相比于电泵浦器件具有显著的结构与性能优势，光泵浦外腔面发射激光器无需在有源区附近制备复杂的电极结构和高掺杂的半导体层，从而极大地降低了自由载流子带来的吸收损耗与热效应；同时，光泵浦能够提供更加均匀的载流子注入，避免了电泵浦中常见的电流拥挤效应，使得器件在大口径泵浦下仍能保持高功率和高光束质量的单模输出。

3、为了获取超短脉冲输出，通常需要在外部谐振腔中引入被动锁模元器件，传统的被动锁模vecsel需要一个独立的外置半导体可饱和吸收镜（sesam）作为腔镜，然而，这种多镜腔结构不仅大幅增加了系统的准直难度和整体体积，也使得器件对抗环境震动、温度漂移的能力降低，为了简化系统，将可饱和吸收体与增益介质集成在同一个半导体芯片上的方案成为研究热点，这种单片集成方案使器件在简单的直腔内实现自锁模输出，极大提升了系统的紧凑性和稳定性。

4、然而，现有的集成式光泵浦面发射激光器在实现高性能、高稳定性的超短脉冲输出时，仍面临表面菲涅尔反射与泵浦效率损失、高功率下的横模控制与偏振不稳定性、量子阱与可饱和吸收体的功能协同与场强设计困难等技术挑战，尤其是泵浦光入射面的反射损耗可高达30%以上，严重降低了泵浦效率；而缺乏有效的模式选择机制则导致高功率泵浦时高阶模起振，破坏光束质量；此外，可饱和吸收体与增益区集成后，因吸收残余泵浦光而产生的热负荷常导致锁模失效或器件退化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种自锁模光子晶体面发射激光器及其制备方法，利用光子晶体的模式压窄与滤波能力，结合vecsel的增益特性，实现高效率、高稳定性的自锁模脉冲输出。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、本发明创造一方面提供一种自锁模光子晶体面发射激光器，包括：沿厚度方向依次堆叠的dbr层、可饱和吸收体层、光子晶体层、有源区、窗口层以及减反微纳结构层；泵浦光入射减反微纳结构层，再经过窗口层入射有源区产生增益光，减反微纳结构层用于降低泵浦光在其入射面处的菲涅耳反射，以提高对泵浦光的吸收效率；增益光向下传输入射光子晶体层，形成向上传输的第一光分量和向下传输的第二光分量，第二光分量经过可饱和吸收体层后到达dbr层，经dbr层反射后向上传输并穿过光子晶体层，第一光分量和第二光分量汇合并依次经过有源区、窗口层和减反微纳结构层向上传输；光子晶体层位于有源区与可饱和吸收体层之间，光子晶体层用于滤除高阶横模、通过基横模，以及用于控制第一光分量与第二光分量的强度比例；可饱和吸收体层位于光子晶体层与dbr层之间，可饱和吸收体层用于对经过光子晶体层筛选后的基横模进行被动锁模或被动调q；其中，光子晶体层被配置为使经过其筛选后的基横模在可饱和吸收体层处具有比高阶横模更高的局部光强，以使可饱和吸收体层对基横模的附加吸收损耗小于对高阶横模的附加吸收损耗。

4、进一步的，减反微纳结构层包括周期性或准周期性排布的多个微纳单元，减反微纳结构层对泵浦光的菲涅耳反射率小于1%，且减反微纳结构层的等效折射率沿从顶部至底部的方向逐渐增大；减反微纳结构层包括但不限于一维光栅、二维柱状阵列、二维孔状阵列或超表面结构。

5、进一步的，减反微纳结构层为二维亚波长光栅，二维亚波长光栅的占空比在0.3至0.7的范围内，二维亚波长光栅的光栅深度dg满足：0.1λp≤dg≤0.3λp，二维亚波长光栅的光栅周期p满足：p＜λp/n且p在0.15λp至0.28λp的范围内，其中，λp为泵浦光的中心波长，n为窗口层对泵浦光的折射率；或者，减反微纳结构层为一维亚波长光栅或非对称超表面结构，减反微纳结构层对沿不同方向偏振的泵浦光具有不同的反射率。

6、进一步的，光子晶体层包括周期性排布的多个孔洞和/或周期性排布的多个柱状结构，光子晶体层的晶格常数、占空比和刻蚀深度被配置为使光子晶体层的光子带隙覆盖高阶横模所对应的频率范围，且使基横模所对应的频率位于光子晶体层的通带内。

7、进一步的，窗口层的带隙能量大于泵浦光的光子能量，窗口层的厚度在50nm~2000nm的范围内。

8、进一步的，可饱和吸收体层包括量子阱结构、量子点结构、石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体，可饱和吸收体层的吸收波长大于激射激光波长，且可饱和吸收体层相对于dbr层的反射驻波场的位置被配置为调节可饱和吸收体层的调制深度和饱和通量；dbr层对泵浦光的反射率低于50%，dbr层对增益光的反射率高于99.5%。

9、进一步的，增益芯片还包括：第一缓冲层，第一缓冲层位于光子晶体层与可饱和吸收体层之间；第二缓冲层，第二缓冲层位于可饱和吸收体层与dbr层之间。

10、进一步的，自锁模光子晶体面发射激光器还包括：外置输出镜，外置输出镜位于减反微纳结构层远离窗口层的一侧，且外置输出镜与增益芯片间隔设置；其中，增益芯片输出的包含第一光分量和第二光分量的出射光入射外置输出镜，外置输出镜将部分光反射回增益芯片内部以维持振荡，另一部分光透过外置输出镜作为激光输出，dbr层与外置输出镜共同构成谐振腔并提供腔内增益光的主要反馈。

11、本发明创造另一方面提供一种自锁模光子晶体面发射激光器的制备方法，用于制备前述的自锁模光子晶体面发射激光器，自锁模光子晶体面发射激光器的制备方法包括：在衬底上依次外延生长dbr层和可饱和吸收体层；在可饱和吸收体层上外延生长光子晶体初始层，对光子晶体初始层进行刻蚀以形成周期性排布的多个孔洞，得到光子晶体层；通过二次外延在光子晶体层上依次外延生长有源区和窗口层，并使孔洞内保留空气或填充低折射率介质；在窗口层远离有源区的一侧形成减反微纳结构层，减反微纳结构层用于降低泵浦光在其入射面处的菲涅耳反射。

12、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

13、其一，通过在泵浦光入射的表面集成针对泵浦光波长设计的减反微纳结构层，将泵浦光入射面的菲涅耳反射率由约31%降低至1%以下，显著提升泵浦光的耦合效率与有源区对泵浦光的吸收效率；同时，减反微纳结构层的微纳单元周期满足p＜λp/n，使泵浦光在入射面处仅存在零级透射而不产生高阶衍射，避免泵浦光偏离有源区的增益区域；并且，由于抑制了入射面反射，泵浦光沿厚度方向的驻波对比度降低、吸收分布更均匀，有利于缓解局部过热并提升高功率泵浦下的增益均匀性；

14、其二，通过将光子晶体层设置于有源区与可饱和吸收体层之间，使腔内光场按照“光子晶体模式筛选—可饱和吸收非线性调制—dbr反射反馈—再次模式筛选”的先后顺序传播，光子晶体层预先滤除高阶横模并使基横模在可饱和吸收体层处具有更高的局部光强，使可饱和吸收体层仅需对基横模进行非线性调制即可获得更大的模式相关损耗差，避免了可饱和吸收体层直接接收未经筛选的混合模式光场时多个模式同时消耗其饱和能力、进而降低其抑制非目标模式能力的问题，从而在降低锁模阈值与腔内附加损耗的同时提升单横模输出的稳定性，使脉冲序列具有高重复频率稳定性与低时间抖动；

15、其三，光子晶体层在提供模式筛选的同时，其二维周期性孔洞结构在横向上构建了额外的热扩散通道，高导热率的半导体骨架与周期性空气孔的组合有效降低了纵向热阻，使有源区产生的热量可沿光子晶体层横向快速疏散，缓解了高功率泵浦下的热透镜效应，从而在实现高效率脉冲输出的同时，维持了优异的光束质量因子，适用于高功率连续的脉冲运转；

16、其四，减反微纳结构层、光子晶体层、可饱和吸收体层与dbr层均集成于同一半导体芯片内，配合位于芯片外侧的外置输出镜即可在简单直腔内实现自启动的被动锁模或被动调q输出，无需在外部谐振腔中插入独立的半导体可饱和吸收镜，有利于减小系统体积、降低准直难度并提升抗环境扰动能力；

17、综上，本发明提供的自锁模光子晶体面发射激光器，通过表面的减反微纳结构、内部光子晶体层与可饱和吸收体层的纵向协同集成，同时解决了泵浦光反射损耗大、模式控制不足、热效应显著及锁模稳定性差等问题，实现了高效率、高光束质量、自启动的稳定超短脉冲输出。